EP1229337A1 - Verfahren zur temparaturkompensierten elektro-optischen Messung einer elektrischen Spannung - Google Patents

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EP1229337A1
EP1229337A1 EP01810120A EP01810120A EP1229337A1 EP 1229337 A1 EP1229337 A1 EP 1229337A1 EP 01810120 A EP01810120 A EP 01810120A EP 01810120 A EP01810120 A EP 01810120A EP 1229337 A1 EP1229337 A1 EP 1229337A1
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EP
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electro
medium
temperature
optical
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EP01810120A
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Michael Stanimirov
Klaus Bohnert
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ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/247—Details of the circuitry or construction of devices covered by G01R15/241 - G01R15/246
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    • G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption

Definitions

  • the invention relates to a method for measurement an electrical voltage with an electro-optical Medium according to the preamble of claim 1.
  • An electro-optical medium is a material its refractive index or its speed of light propagation opt for at least one light polarization changes when an electric field is applied.
  • a corresponding one Device is e.g. in U.S. 4,904,931. It contains one electro-optical crystal between two polarizers.
  • the Pockels effect causes a change in the crystal of the refractive indices generated, leading to modulation the light intensity after the second polarizer leads. This modulation is periodic of the voltage dependent. In order to get a clear measurement result, are therefore the same in US 4,904,931 Wavelength passed through the crystal.
  • US 4,531,092 describes a method for Measurement of an electrical voltage, at which two Beams of different wavelengths through an electro-optical Crystal. It will only one of the two beams polarized on the output side, see above that the intensity of the second beam is not different from that Voltage is dependent. This measure allows the to use the second beam as a reference variable and the Improve accuracy of measurement.
  • the task arises of a procedure of Provide the type mentioned in the simple Way to compensate for temperature-dependent fluctuations can.
  • the electro-optical medium is thus penetrated by two light beams of different wavelengths, the signals A 1 , A 2 of both light beams being measured after the output polarizer.
  • These signals A 1, A 2 are functions f 1, f 2 of the electrical voltage to be measured V and temperature T.
  • the additional information that results from the measurement at a second wavelength is used for the elimination of the temperature dependence.
  • a deflecting prism 6 is arranged on the end face of the BGO crystal 1 forming the electrode 3, while there are two linear polarizers (or analyzers) 9 and 10 on the end face of the BGO crystal 1 forming the electrode 2, to which collimators are located Connect 7 or 8.
  • the polarizers 9, 10 are at 45 ° to the Axes of the crystal oriented. You can go to each other parallel or crossed by 90 °.
  • Two light beams are in the collimator 7 11 different wavelengths coupled.
  • the decoupled light rays are marked with number 12. You won't be in one shown beam splitter separated and their signals are recorded individually.
  • the signal strength A i of each light beam i 1.2 after the polarizer 10 applies where A 0, i is the signal amplitude of the light beam i and V h is the half-wave voltage for the present configuration.
  • r 63 is the effective electro-optical coefficient of the material in the present configuration
  • ⁇ is the light wavelength of the respective light beam
  • n is the refractive index of the crystal in the x and y directions.
  • a phase delay plate with a delay and orientation is additionally inserted between the crystal and the output polarizer (or between the input polarizer and the crystal) such that the phase difference of the two orthogonal polarizations at the output polarizer is 90 ° without voltage being applied.
  • the signal strength A i is given by
  • phase delay plate in both Wavelengths creates a delay of 90 ° is one To use higher order plate.
  • the advantage of using an additional phase delay plate in that between positive and negative tensions can be distinguished.
  • r ( T ) r ( T 0 ) + K ⁇ ⁇ T .
  • r ( T 0 ) the known electro-optical coefficient at a reference temperature T 0
  • K is a known temperature coefficient
  • ⁇ T T - T 0
  • the exact temperature value T of the electro-optical medium is generally not known.
  • the unknown parameter ⁇ T and thus the temperature T or the electro-optical coefficient r 63 ( T ) can be calculated from the system of equations (7). The following applies:
  • equation (9) has a clear solution.
  • the temperature correction of the electro-optical coefficient according to equations (8) and (6) can be carried out at a significantly lower rate than the actual measurement of the voltage V. It is also possible to determine the temperature only when the respective voltage is below the half-wave voltage, so that the problem of the ambiguous voltage determination is irrelevant.
  • the temperature is corrected according to equation (5) or (6) with the temperature deviation ⁇ T determined according to (8). Thanks to this measure, the electro-optical coefficients are known more precisely, so that the voltage value V can be determined with greater accuracy and reliability.
  • the compensation method can also be generalized to cases in which the temperature dependence of the electro-optical coefficient is not linear, which can be the case in particular in the vicinity of a phase transition of an electro-optical medium.
  • the corresponding function r ( T ) must be used in the system of equations (7). If necessary, the solution to the system of equations (7) must then be determined numerically.
  • a BGO crystal is used as the electro-optical medium, the field being applied in the z direction and the light propagating in the z direction. It is also possible to use other geometries and other electro-optical media, such as crystals made of LiNbO 3 or BSO or non-centrically polarized polymers.

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Abstract

Zur Messung einer elektrischen Spannung in einem elektro-optischen Spannungswandler wird polarisiertes Licht zweier Wellenlängen durch das Medium (1) geschickt. Ausgangsseitig wird das Licht durch einen Polarisator (10) geführt und das verbleibende Signal wird gemessen. Um die Temperaturabhängigkeit der elektro-optischen Koeffizienten zu kompensieren, werden die Messresultate beider Wellenlänge miteinander verglichen und es wird derjenige Spannungswert verwendet, der mit beiden Messungen konsistent ist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer elektrischen Spannung mit einem elektro-optischen Medium gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
Ein elektro-optisches Medium ist ein Material, dessen Brechungsindex bzw. dessen Lichtausbreitungsgeschwindigkeit sich für mindestens eine Lichtpolarisation ändert, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird.
Die Messung elektrischer Spannungen mittels elektro-optischer Medien ist bekannt. Ein entsprechendes Gerät wird z.B. in US 4 904 931 offenbart. Es enthält einen elektro-optischen Kristall zwischen zwei Polarisatoren. Durch den Pockels-Effekt wird im Kristall eine Änderung der Brechungsindizes erzeugt, die zu einer Modulation der Lichtintensität nach dem zweiten Polarisator führt. Diese Modulation ist periodisch von der Spannung abhängig. Um ein eindeutiges Messresultat zu erhalten, werden in US 4 904 931 deshalb zwei Strahlen gleicher Wellenlänge durch den Kristall geführt.
US 4 531 092 beschreibt ein Verfahren zur Messung einer elektrischen Spannung, bei welchem zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge durch einen elektro-optischen Kristall geschickt werden. Dabei wird nur einer der beiden Strahlen ausgangsseitig polarisiert, so dass die Intensität des zweiten Strahls nicht von der Spannung abhängig ist. Diese Massnahme erlaubt es, den zweiten Strahl als Referenzgrösse zu verwenden und die Genauigkeit der Messung zu verbessern.
Bei Verfahren der oben erwähnten Art muss der effektive elektro-optische Koeffizient genau bekannt sein. Da dieser Koeffizient in der Regel temperaturabhängig ist, kann es zu Ungenauigkeiten kommen.
Darstellung der Erfindung
Es stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das in einfacher Weise temperaturabhängige Schwankungen zu kompensieren vermag.
Diese Aufgabe wird vom Verfahren gemäss Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäss wird das elektro-optische Medium also von zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge durchsetzt, wobei die Signale A 1, A 2 beider Lichtstrahlen nach dem Ausgangspolarisator gemessen werden. Diese Signale A 1, A 2 sind Funktionen f 1, f 2 der zu messenden elektrischen Spannung V und der Temperatur T. Erfindungsgemäss werden diejenigen Werte der Temperatur T und der Spannung V gesucht werden, die das Gleichungssystem A 1 = f 1(T, V) und A 2 = f 2(T, V) lösen. Somit wird die zusätzliche Information, die aus der Messung bei einer zweiten Wellenlänge resultiert, für die Elimination der Temperaturabhängigkeit verwendet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figur. Dabei zeigt:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines zur Durchführung der Erfindung geeigneten Spannungswandlers.
    • Wege zur Ausführung der Erfindung
    In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines quaderförmigen BGO-Kristalls 1 zu erkennen, der an seinen beiden Stirnseiten mit einer Beschichtung aus einem elektrisch leitfähigen, lichtdurchlässigen Material zur Bildung von zwei Elektroden 2, 3 versehen ist. Die eine Elektrode 2 dient als Erdpotential-Anschluss 4 und die andere Elektrode 3 ist als Hochspannungspotential-Anschluss 5 vorgesehen. Die zwischen den Elektroden 2, 3 angelegte Spannung ist mit V bezeichnet. Auf der die Elektrode 3 bildenden Stirnseite des BGO-Kristalls 1 ist ein Umlenkprisma 6 angeordnet, während sich an der die Elektrode 2 bildenden Stirnseite des BGO-Kristalls 1 zwei lineare Polarisatoren (bzw. Analysatoren) 9 bzw. 10 befinden, an welche sich Kollimatoren 7 bzw. 8 anschliessen.
    Die Polarisatoren 9, 10 sind unter 45° zu den Achsen des Kristalls orientiert. Sie können zueinander parallel oder um 90° gekreuzt sein.
    In den Kollimator 7 werden zwei Lichtstrahlen 11 unterschiedlicher Wellenlänge eingekoppelt. Sie durchläufen den Polarisator 9. Sie treten polarisiert durch die Elektrode 2, in den BGO-Kristall 1 und durch die Elektrode 3, werden an den Grenzflächen des Umlenkprismas 6 reflektiert und durchläufen anschliessend die Elektrode 3, den BGO-Kristall 1, die Elektrode 2, den Polarisator 10 und den Kollimator 8. Die ausgekoppelten Lichtstrahlen sind mit Ziffer 12 bezeichnet. Sie werden in einem nicht dargestellten Strahlteiler separiert und ihre Signale werden einzeln erfasst.
    Sind die Polarisatoren parallel, so gilt bei Lichtausbreitung entlang der optischen Achse z für die Signalstärke Ai jedes Lichtstrahls i = 1,2 nach dem Polarisator 10
    Figure 00040001
    wobei A 0, i die Signalamplitude des Lichtstrahls i und Vh die Halbwellenspannung für die vorliegende Konfiguration ist. Im vorliegenden Fall wird das elektrische Feld in z-Richtung des Kristalls angelegt und es gilt für die Halbwellenspannung Vh Vh = λ2 . r 63 . n 3 , wobei r 63 der bei der vorliegenden Konfiguration effektive elektro-optische Koeffizient des Materials, λ die Lichtwellenlänge des jeweiligen Lichtstrahls und n der Brechungsindex des Kristalls in x- bzw. y-Richtung ist.
    Sind die Polarisatoren um 90° zueinander verdreht, so gilt anstelle von Gleichung (1)
    Figure 00040002
    In einer bevorzugten Ausführung wird zusätzlich zwischen dem Kristall und dem Ausgangspolarisator (oder zwischen dem Eingangspolarisator und dem Kristall) eine Phasenverzögerungsplatte mit einer Verzögerung und Orientierung derart eingefügt, dass ohne angelegte Spannung der Phasenunterschied der beiden orthogonalen Polarisationen am Ausgangspolarisator 90° beträgt. Die Signalstärke Ai ist in diesem Fall gegeben durch
    Figure 00040003
    Damit die Phasenverzögerungsplatte bei beiden Wellenlängen eine Verzögerung von 90° erzeugt, ist eine Platte höherer Ordnung zu verwenden. Der Vorteil der Verwendung einer zusätzlichen Phasenverzögerungsplatte liegt darin, dass zwischen positiven und negativen Spannungen unterschieden werden kann.
    In vielen gängigen elektro-optischen Medien hängen die elektro-optischen Koeffizienten r relativ stark von der Temperatur T ab, d.h. es existiert eine im Allgemeinen bekannte Temperaturabhängigkeit r = r(T). Dabei steht der Wert r für den bei der jeweiligen Konfiguration, Kristallsymmetrie und Wellenlänge wirksamen effektiven elektro-optischen Koeffizienten. Im obigen Beispiel ist r = r 63.
    Die Gleichungen (1), (1') bzw. (1*) lassen sich, unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit, für zwei Lichtstrahlen verallgemeinert wie folgt schreiben: A 1 = f 1(V, T) und A 2 = f 2(V, T), wobei z.B. im Falle gekreuzter Polarisatoren 9, 10 die Funktionen fi gegeben sind durch
    Figure 00050001
    Für den Fall paralleler Polarisatoren ist der Sinus durch den Kosinus zu ersetzen.
    In linearer Näherung gilt für die Temperaturabhängigkeit von r z.B. r(T) = r(T 0) + K·ΔT, wobei r(T 0) der als bekannt vorausgesetzte elektro-optische Koeffizient bei einer Referenztemperatur T 0, K ein bekannter Temperaturkoeffizient und ΔT = T - T 0 ist. Der genaue Temperaturwert T des elektro-optischen Mediums ist in der Regel nicht bekannt.
    Für das obige Beispiel wird Gleichungssystem (4) im Fall gemäss Gleichung (1') zu
    Figure 00050002
    Der unbekannte Parameter ΔT und somit die Temperatur T bzw. der elektro-optische Koeffizient r 63(T) kann aus Gleichungssystem (7) berechnet werden. Es gilt:
    Figure 00060001
    Ist ΔT einmal bekannt, so kann die Spannung V aus einer der Gleichungen (7) direkt berechnet werden. Es gilt
    Figure 00060002
    Für V ≤ V h hat Gleichung (9) eine eindeutige Lösung. Für V > V h ist diejenige Lösung zu suchen, die beide Gleichungen (4) (bzw. (9) für i = 1 und 2) löst.
    Grundsätzlich kann die Temperaturkorrektur des elektro-optischen Koeffizienten gemäss Gleichung (8) und (6) mit wesentlich geringerer Rate erfolgen als die eigentliche Messung der Spannung V. Es ist auch möglich, die Temperatur nur zu bestimmen, wenn die jeweilige Spannung unterhalb der Halbwellenspannung liegt, so dass das Problem der nicht-eindeutigen Spannungsbestimmung keine Rolle spielt.
    Die Temperaturkorrektur erfolgt gemäss Gleichung (5) bzw. (6) mit der nach (8) ermittelten Temperaturabweichung ΔT. Dank dieser Massnahme sind die elektro-optischen Koeffizienten genauer bekannt, so dass der Spannungswert V mit grösserer Genauigkeit und Zuverlässigkeit ermittelt werden kann.
    Es ist ebenfalls möglich, das in (8) beschriebene Kompensationsverfahren auf den Fall paralleler Polarisatoren gemäss Gleichung (1) zu übertragen, wobei sich das Gleichungssystem (7) und die Formeln für e und f in Gleichung (8) entsprechend ändern.
    Das Kompensationsverfahren lässt sich auch auf Fälle verallgemeinern, bei welchen die Temperaturabhängigkeit des elektro-optischen Koeffizienten nicht linear ist, was insbesondere in der Nähe eines Phasenübergangs eines elektro-optischen Mediums der Fall sein kann. In diesem Fall ist in Gleichungssystem (7) die entsprechende Funktion r(T) einzusetzen. Nötigenfalls muss die Lösung von Gleichungssystem (7) sodann numerisch bestimmt werden.
    In den obigen Beispielen wird als elektro-optisches Medium ein BGO-Kristall verwendet, wobei das Feld in z-Richtung angelegt wird und das Licht sich in z-Richtung ausbreitet. Es ist auch möglich, andere Geometrien und andere elektro-optische Medien zu verwenden, wie z.B. Kristalle aus LiNbO3 oder BSO oder nichtzentrisch polarisierte Polymere.
    Die hier beschriebenen Techniken sind ferner auch auf Medien anwendbar, bei denen der elektro-optische Effekt nicht linear (Pockels-Effekt) sondern quadratisch (Kerr-Effekt) auftritt, wobei insbesondere die Gleichungen (4), (5) und (8) entsprechend anzupassen sind. So ist z.B. in Gleichung (1') der Sinus von einem Quadrat der angelegten Spannung zu berechnen.
    Bezugszeichenliste
    1:
    BGO-Kristall
    2,
    3: Elektroden
    4:
    Erdpotential-Anschluss
    5:
    Hochspannungspotential-Anschluss
    6:
    Umlenkprisma
    7, 8:
    Kollimatoren
    9, 10:
    Polarisatoren
    11, 12:
    eingekoppelter und ausgekoppelter Lichtstrahl
    A 0, i :
    Signalamplituden
    a, b, c, d, e, f:
    Koeffizienten
    K:
    Temperaturkoeffizient
    n:
    Brechungsindex
    r:
    elektro-optischer Koeffizient
    T:
    Temperatur
    ΔT:
    Temperaturabweichung
    V:
    Spannung
    Vh :
    Halbwellenspannung
    λ1, λ2:
    Wellenlängen der eingekoppelten Strahlen

    Claims (6)

    1. Verfahren zur Messung einer elektrischen Spannung mit einem elektro-optischen Medium (1), wobei das Medium einem von der Spannung abhängigen elektrischen Feld ausgesetzt wird und mindestens zwei polarisierte Lichtstrahlen (11) unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, λ2) in das Medium (1) eingestrahlt und nach dem Medium (1) polarisiert werden, und wobei Ausgangssignale A 1 und A 2 der Lichtstrahlen gemessen werden, wobei A 1 und A 2 temperaturabhängige Funktionen f 1 und f 2 der Spannung sind, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Werte der Temperatur T und der Spannung V gesucht werden, die das Gleichungssystem A 1 = f 1(T, V) und A 2 = f 2(T, V) lösen.
    2. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine spannungsinduzierte Brechungsindex-Änderung im Medium (1) über den Pockels-Effekt vom elektrischen Feld abhängt.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsabhängigkeit der Brechungsindex-Änderung durch einen effektiven elektro-optischen Koeffizienten r beschrieben wird, wobei für den effektiven elektro-optischen Koeffizienten r eine bekannte Temperaturabhängigkeit r = r(T) vorausgesetzt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den effektiven elektro-optischen Koeffizienten eine lineare Temperaturabhängigkeit r(T) = r(T 0) + K·ΔT mit ΔT = T - T 0 mit bekannter Grösse r(T 0) bei einer Referenztemperatur T 0 und mit bekannter Proportionalitätskonstante K vorausgesezt wird.
    5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen f 1 und f 2 in nicht-eindeutiger Weise von der Spannung V abhängen und dass diejenige Spannung ermittelt wird, für welche beide Gleichungen des Gleichungssystems erfüllt sind.
    6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein Kristall, insbesondere ein BGO-Kristall ist.
    EP01810120A 2001-02-06 2001-02-06 Verfahren zur temparaturkompensierten elektro-optischen Messung einer elektrischen Spannung Withdrawn EP1229337A1 (de)

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